التصنيع الميكروي والنانوي
البلمرة الضوئية
البلمرة الضوئية بالليزر، وتُعرف أيضًا بالطباعة الحجرية أو الكتابة الليزرية المباشرة، تكوّن بنى نانوية ثلاثية الأبعاد في الراتنجات الحساسة للضوء.
مقدمة المنتج
ما هي البلمرة الضوئية؟
البلمرة الضوئية عملية تصنيع إضافي تُستخدم لتصنيع بنى ميكروية ونانوية ثلاثية الأبعاد عبر تصلب انتقائي لمواد حساسة للضوء باستخدام الضوء. وبالاقتران مع نبضات ليزر فمتوثانية مركّزة بإحكام، تتيح التقنية التصنيع المباشر لبنى بأحجام مميزات دون الميكرون، ما يجعلها ملائمة لتطبيقات في الفوتونيات والبصريات الدقيقة والموائع الدقيقة والهندسة الطبية الحيوية. وما تزال التطورات الحديثة في تقنية الليزر فائق السرعة تحسّن إنتاجية التصنيع واستقرار العملية وإتاحة التصنيع الميكروي الثلاثي الأبعاد عالي الدقة.
العملية الكيميائية
البلمرة الضوئية عملية كيميائية يُحدثها الضوء تتحوّل فيها مواد سائلة حساسة للضوء إلى بنى بوليمرية صلبة. تبدأ العملية عندما يمتص جزيء بوليمر حسّاس للضوء عدة فوتونات، فينتقل إلى حالة مثارة تُكوِّن في النهاية جذرًا حرًا. ثم يشارك الجذر الحر المتولّد في تفاعل بلمرة سلسلية، فيؤدي إلى تشابك كيميائي وتصلب المادة المعرّضة. وتبقى المناطق غير المعرّضة سائلة ويمكن إزالتها لاحقًا أثناء الإظهار، فلا يتبقى سوى البنية المصنَّعة. وتحدث البلمرة الضوئية المستحثة بالليزر داخل بؤرة الليزر فقط. ويوفّر هذا التفاعل الشديد التموضع تحكمًا مكانيًا دقيقًا في عملية التصنيع ويُمكّن من هيكلة ثلاثية الأبعاد حقيقية داخل المواد الحساسة للضوء.
ما هي الطباعة الحجرية بالليزر المباشر؟
الطباعة الحجرية بالليزر المباشر (DLL)، وتُسمّى أيضًا الكتابة بالليزر المباشر (DLW)، تقنية تصنيع تقوم على بلمرة ضوئية موضعية تُطلقها حزمة ليزر مركّزة بإحكام. تكتب DLL بنى مباشرة داخل مادة حساسة للضوء عبر مسح بؤرة الليزر على طول مسار ثلاثي الأبعاد محدد مسبقًا. وعند استخدام نبضات ليزر فمتوثانية فائقة القصر، تُستهل البلمرة الضوئية عادة عبر امتصاص متعدد الفوتونات. ولأن الامتصاص اللاخطي يحدث فقط في الحجم البؤري حيث تكون كثافة الفوتونات عالية بما يكفي، تبقى البلمرة محصورة في حجم ثلاثي الأبعاد صغير يُعرف باسم فوكسل. وبإزاحة هذا الفوكسل عبر المادة، يمكن تصنيع بنى ميكروية ونانوية حرّة الشكل ومعقّدة مباشرة دون الحاجة إلى أقنعة أو خطوات معالجة متعددة.
كيف تُكتب العملية
تبدأ عملية التصنيع بتركيز نبضات ليزر فمتوثانية داخل مادة حساسة للضوء. تُوضع بؤرة الليزر في الموقع المطلوب داخل الراتنج، حيث يُودِع الامتصاص اللاخطي الطاقة داخل الحجم البؤري فقط. ويُطلق هذا التعريض الموضعي البلمرة داخل فوكسل واحد مع ترك المادة المحيطة دون تأثير. وتُنتج الحركة المتتالية لبؤرة الليزر عبر المادة فوكسلات متداخلة تشكّل بنى بوليمرية متصلة. وبعد التعريض الليزري، تُظهَّر العينة بإزالة المادة غير المبلمرة، فتبقى البنية الثلاثية الأبعاد المصنَّعة.
آلية البلمرة الضوئية
تُستهل البلمرة الضوئية عندما تمتص جزيئات داخل المادة الحساسة للضوء فوتونات، فترتقي إلى حالة إلكترونية مثارة. وفي المقاومات الضوئية التقليدية، تولّد هذه الإثارة جذورًا حرّة تفاعلية عبر جزيئات بادئ ضوئي، ثم تُطلق هذه الجذور بلمرة سلسلية. وتشكّل شبكة البوليمر المتشابكة الناتجة البنية الصلبة التي تبقى بعد الإظهار. ويمكن للأحداث الكيميائية الضوئية المؤدية إلى تكوّن الجذور الحرّة أن تسلك مسارات متعددة تشمل حالات جزيئية مختلفة، وقد يختلف مردود الجذور الحرّة تبعًا لذلك. وقد تختلف معاملات الامتصاص ثنائي الفوتون وثلاثي الفوتون والرتب الأعلى اختلافًا كبيرًا وتُظهر اعتمادات مختلفة على الطول الموجي لأن حالات جزيئية مختلفة تتبع قواعد اختيار مختلفة. وقد أُثبتت كذلك بلمرة ضوئية موضعية من دون بادئات ضوئية، ما يشير إلى أن آليات الإثارة الضوئية الأساسية قد تختلف بحسب المنظومة الحساسة للضوء.
الامتصاص متعدد الفوتونات
تُستهل البلمرة الضوئية متعددة الفوتونات عادة عبر امتصاص ثنائي الفوتون في ما يُسمّى مواد عتبية. غير أن عدد الفوتونات الممتصة في آن واحد لإثارة جزيء من الحالة الأرضية يعتمد على طيف امتصاص المقاوم الضوئي وعلى طول موجة الإثارة معًا. وعندما يتطابق طول موجة الإثارة مع قمة امتصاص المادة، تمضي البلمرة عبر امتصاص أحادي الفوتون. وإذا كان طول موجة الإثارة يقارب ضعف طول موجة الامتصاص، يمكن إحداث امتصاص ثنائي الفوتون، في حين يُتوقَّع امتصاص ثلاثي الفوتون عندما يكون طول موجة الإثارة أطول بنحو ثلاثة أضعاف. والنبضات فائقة القصر حسّاسة لتشتت تأخير المجموعة الذي تُدخله المنظومة البصرية، والذي يمكن أن يمدّد النبضة زمنيًا ويخفض شدة ذروتها. ولما كان ذلك يقلّل كفاءة العمليات متعددة الفوتونات، يجب تعويض تشتت المنظومة البصرية بإدخال تشريب زمني مسبق معاكس قبل أن تصل حزمة الليزر إلى العينة.
تكوّن البنى الثلاثية الأبعاد
لأن البلمرة تبقى محصورة في الحجم البؤري، يمكن إزاحة بؤرة الليزر عبر المادة لتصنيع هندسات ثلاثية الأبعاد اعتباطية. وتُوضع الفوكسلات الفردية تباعًا لتكوين بنى متصلة، في حين يتيح المسح طبقة تلو طبقة تصنيع أجسام تتراوح من عشرات الميكرومترات إلى عدة مليمترات بدقة مميزات دون الميكرون. وتعتمد أبعاد كل فوكسل مُصنَّع على شدة الليزر ومدة النبضة والطول الموجي والفتحة العددية لبصريات التركيز ومعدل التكرار وسرعة الإزاحة وخصائص المادة.
مزايا الطباعة الحجرية بالليزر المباشر
تتيح الطباعة الحجرية بالليزر المباشر تصنيع هندسات ثلاثية الأبعاد يصعب أو يستحيل إنتاجها بتقنيات التصنيع التقليدية. وبفضل الطبيعة الموضعية للامتصاص متعدد الفوتونات، تبقى البلمرة محصورة في الحجم البؤري لليزر، ما يتيح أحجام مميزات تصل إلى نحو 100 nm مع إنتاج بنى وظيفية أبعادها من عشرات الميكرومترات إلى عدة مليمترات. وتسمح الطباعة الحجرية بالليزر المباشر كذلك بكتابة البنى مباشرة من نماذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD). ويتيح ذلك نمذجة سريعة ومرونة في التصميم مع إلغاء الحاجة إلى أدوات مخصصة.
مواد البلمرة الضوئية
تختلف المواد الحساسة للضوء المستخدمة في الطباعة الحجرية بالليزر المباشر في خصائصها البصرية والكيميائية والميكانيكية. وتقوم المقاومات الضوئية التقليدية أساسًا على راتنجات أكريليكية وإيبوكسية. وتُظهر بوليمرات الإيبوكسي انكماشًا منخفضًا واستقرارًا هيكليًا عاليًا، في حين توفّر الأكريلات عمومًا حساسية ضوئية أعلى وطاقة حرجة أدنى ولزوجة أدنى وخصائص ميكانيكية قابلة للتحكم. وإلى جانب المقاومات الضوئية التقليدية المشتقة من النفط، تزايد الاهتمام بالبوليمرات الضوئية المستحصلة من موارد متجددة. وقد برزت الزيوت النباتية سلائف بوليمرية جذابة؛ ومن بينها يُستخدم على نطاق واسع زيت فول الصويا وزيت فول الصويا الإيبوكسي المؤكريل (AESO). ورغم أن البوليمرات الضوئية القائمة على AESO تقدّم بديلًا مستدامًا، فإن سلاسلها الأليفاتية الطويلة تنتج شبكات بوليمرية لينة نسبيًا، لذا تُضاف عادة مونومرات مشتركة عطرية — بما في ذلك vanillin dimethacrylate وvanillin diacrylate المشتقّين من النباتات — لتحسين الخصائص الميكانيكية.
أين تُستخدم
في الفوتونيات والبصريات الدقيقة، تُستخدم الطباعة الحجرية بالليزر المباشر لتصنيع بلورات فوتونية وعناصر بصرية حيودية وعدسات دقيقة ومكوّنات بصرية أخرى تتطلّب هندسات حرّة الشكل ومعقّدة ومميزات دون الميكرون. وتُستخدم التقنية كذلك للمواد الخارقة والبنى البلازمونية. وقد رسّخت القدرة على تصنيع قنوات مغلقة ومكوّنات متحركة دون تجميع مكانتها في الموائع الدقيقة والميكانيكا الدقيقة. وفي الهندسة الطبية الحيوية، تُستخدم على نطاق واسع لتصنيع سقالات لهندسة الأنسجة وبنى محاكية للحيوية ومصفوفات إبر دقيقة وأجهزة طبية حيوية أخرى.
الليزرات المستخدمة في البلمرة الضوئية
تتطلّب الطباعة الحجرية بالليزر المباشر منظومات ليزر قادرة على تقديم نبضات فائقة القصر مستقرة بجودة حزمة ممتازة ومعاملات نبضة مضبوطة بدقة. وتوفّر ليزرات الفمتوثانية CARBIDE وPHAROS قدرات الذروة والمتوسطة العالية ومدد النبض فائقة القصر المطلوبة. ويدعم طولها الموجي الأساسي عند 1030 nm، مع توليد التوافقيات عند 515 nm و343 nm، البلمرة الضوئية عبر نطاق واسع من المقاومات الضوئية المتاحة تجاريًا. وللتطبيقات التي تتطلّب مرونة إضافية في الطول الموجي، يوسّع المضخم البارامتري الضوئي I-OPA بدرجة صناعية، المدمج في منصة الليزر، المدى الطيفي المتاح إلى ما وراء التوافقيات الثابتة بحيث يمكن مطابقة طول موجة الإثارة مع خصائص امتصاص مواد حساسة للضوء مختلفة.
